地铁车站基坑支护设计

【文章编号】:1672-4011(2008)04-0198-02

地铁车站基坑支护设计

罗

　　【摘　要】:本文主要介绍了地铁车站的基坑工程,对支护形式的选择与支撑轴力的计算进行了深入分析。　　【关键词】:深基坑;支护设计;稳定性　　【中图分类号】:TU47312　　　【文献标识码】:B

坚

基坑的特点

(1)本站基坑长为447m,最宽处为2317m,标准段处为1915m,深度为15194m～1616m,盾构井处深17159m,最宽处围护支撑中间应加临时立柱以增加支撑刚度。

(2)工程地质条件差。该地区属于典型的软弱土层地区,开挖深度范围内多为粉土、粉砂、粘质粉土及淤泥质粉质黏土。粉土层在动水压力下易产生流砂、管涌等现象,淤泥质黏土呈流塑状,具高压缩、高灵敏度,有明显的触变、流变特性,在动力作用下极易造成土体结构破坏,使土体强度降低。

(3)主体结构工程量大,施工时间长,因此基坑暴露时间长,必须有合理的支护支撑结构才能确保基坑长期稳定。

(4)站位北靠河渠,南靠住宅小区,周边场地环境相对较为复杂,对基坑结构安全及变形控制要求严格。113　支护形式的选择

本工程所处地层为饱和含水软土地层,土层强度低,地下水位高,基坑深度深,要求基坑围护结构既要有较大的刚度,又能承受水土压力并有较理想的止水能力。可采用的围护结构形式有钻孔灌注桩加止水帷幕、咬合桩、地下连续墙等,其经济、技术比较见表1。

钻孔咬合灌注桩谨慎采用

围护结构刚度较大、变形较小,基坑施工对邻近建筑与地下管线影响较小

桩间止水帷幕,防水效果稍差桩与内部结构共同承受水土压力

适用基坑深度较大

施工时产生泥浆和噪音对环境造成一定的污染;套筒钻孔桩对环境影响较小大一般

工艺成熟,施工难度小较低

(广州市地下铁道设计研究院)

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1　工程概况

工程地质概况

根据勘探和室内土工试验测试成果,本站地基土按成因类型及物理力学指标的差异可划分为8个工程地质层,其中3大层细分为5个亚层,各岩土层按由上至下、由新至老的顺序分别为:①2素填土,②1砂质粉土,③1砂质粉土,③2砂质粉土,③3粉砂夹砂质粉土,③4砂质粉土,③6粘质粉土夹淤泥质粉质黏土,⑥2淤泥质黏土以及⑧2粉质黏土。车站底板位于③3粉砂夹砂质粉土、③4砂质粉土层。本场地土类型为中软场地土,结合覆盖层厚度,判定该工程场地属Ⅲ类。土石可挖性分级为一级。场区的地下水,主要有浅部粉(砂)性土层(③层)中的浅水和局部的砂土层⑿1的弱承压水,浅水位埋深一般在1120m～4100m之间。深部承压水位于场地局部分布的⑿1中砂层中,分布深度为40m以下,为弱承压水。浅水位和承压水位随季节、气候等因素而有所变化。

表1

地下连续墙地层适用性

钻孔灌注桩+搅拌桩隔水帷幕

适用围护结构刚度大、强度高、变形小,基坑施工对邻近建筑与地下管线影响小,可在狭窄场地条件施工,与原有建筑物距离最小可达012m左右施工工艺成熟,防水效果较好

可为单层结构,亦可与内衬墙组成复合结构或重合结构共同受力

适用基坑深度较大

施工时振动小,噪声低,对附近交通影响小。因产生施工泥浆,对环境造成一定的污染。小

在土层中施工进度快

机械化程度高,工艺成熟,施工难度小较高

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围护结构比较

谨慎采用

围护结构刚度较大、变形较小,成孔垂直精度高,基坑施工对邻近建筑与地下管线影响较小

桩间咬合,防水效果较好桩与内部结构共同承受水土压力

基坑深度不宜大于15m

套管护壁,干孔作业,无泥浆、无振动、噪音小,对环境影响较小较大一般

属新工艺,施工精度要求高高

围护结构效果

防水效果

与永久结构结合情况本地区适用深度施工对环境的影响占用地下空间面积施工速度

施工工艺与难度围护结构工程造价

比较结果采用不采用不采用　　车站标准段基坑深度15194m,而地下水位埋深仅112m左右。由于钻孔桩本身防水性能差,桩间需要旋喷桩或搅拌桩止水,采用跳桩施工时,施工质量不易保证,桩

间易渗水。本站地下水位高,根据该地区的地质条件看,

对止水帷幕施工要求高。钻孔咬合桩属新技术、新工艺和新工法,施工精度要求高,对混凝土配合比要求较高,且需要专门的施工机具;施工工艺较复杂;同时咬合桩一般

只适用于15m以内基坑,受国内施工设备的影响,基坑深

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●施工技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《四川建材》2008年第4期

度大于15m以上时,造价相应提高。

地下连续墙刚度大,对控制地表沉降与周边建筑管线变形有利;可为单层结构,亦可与内衬墙组成叠合结构或重合结构共同受力。地下连续墙施工工艺成熟,施工难度小,防水效果好,并且适用于较大的基坑深度;其施工工期比钻孔灌注桩加止水帷幕法减少1/3～1/2,能有效控制工期。因此,本站选用地下连续墙为围护结构。

标准段围护结构采用600mm厚地下连续墙,端头井段采用800mm厚地下连续墙,幅宽最大为6m。支撑采用<600mmt=14(16)mm钢管内支撑方案,共设置了4道支撑和一道换撑,支撑水平间距一般为3m。第一、二道支撑壁厚14mm,其余支撑及端头井基坑支撑均壁厚为16mm。114　支撑轴力计算

地下墙围护结构的内力分析,考虑沿车站纵向取单位长度按弹性地基梁理论,并联按基坑开挖、支撑架设、回筑内部结构及拆除支撑的施工过程和完成后的使用阶段等工况进行内力计算。支护结构截面设计按内力包络图控制,支撑轴力取各阶段计算的最大值。围护结构开挖阶段计算时,必须计入结构的先期位移值以及支撑的变形,按“先变形,后支撑”的原则进行结构分析。

计算工况一:标准段基坑。墙厚600mm,基坑开挖宽度1915m,基坑深度15194m,连续墙嵌固深度12m,支撑间距3m,地面超载20kPa。

计算工况二:端头井基坑。墙厚800mm,基坑开挖宽度2317m,基坑深度17159m,连续墙嵌固深度14m,支撑间距3m,地面超载30kPa。

根据计算,本站基坑各道支撑的设计轴力见表2。

表2

基坑各支撑设计轴力包络值位置支撑道数第一道第二道第三道第四道换撑标准段基坑553116

191417522991961473195172311端头井基坑456

226711127401671997143

1700175

　　根据表2分析可知,标准段基坑支撑长度为1915m,最大支撑轴力在第三道支撑处为2299196kN;端头井基坑支撑长度为2317m,最大支撑轴力在第三道支撑处为2740167kN。因此,支撑稳定性分析均围绕这两道支撑展开。

2支撑稳定性分析

211　标准段基坑

单向压弯构件的整体失稳分为弯矩作用平面内和弯矩作用平面外两种情况分别计算。21111　弯矩作用平面内的稳定性

支撑主要发生弯曲失稳,其计算公式为

σ=NβmxMx

<+≤f

xAγxW1x(1-018N/N′Ex)

各参数的取值如下:计算构件内最大弯矩kN·M=11112kN·m;毛截面面积A=29807143mm2;稳定系数N/mm2,满足稳定性要求。21112　弯矩作用平面外的稳定性

支撑主要发生弯曲扭转失稳,其计算公式为

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σ=

NβmxMx各参数的取值如下:稳定系数7;整体稳定系数(1)弯矩作用平面内的稳定性端头井基坑弯矩作用平面内的支撑各参数为:计算构件段内最大弯矩M1x=164130kN·m;毛截面面积A=29807143mm2;塑性系数•x=1115;稳定系数。经计算,弯矩作用平面内支撑最大应力σ=231159N/mm2>f=215N/mm2,不满足稳定性要求。

(2)弯矩作用平面外的稳定性经计算,弯矩作用平面外

钢支撑最大计算应力为:σ=196162N/mm2

由上述可知:标准段基坑支撑稳定性满足要求;端头井基坑弯矩作用平面外稳定性满足要求,弯矩作用平面内稳定性不满足要求。因此,设计采用设置临时立柱桩措施,通过增加中间支撑点,减小支撑跨度,以达到满足支撑稳定性要求。根据以上分析,只需验算弯矩作用平面内稳定性即可。

此时,支撑为双跨结构,l=11185m,q=4134kN/m,最大弯矩Mx=3512kN·m;ix=209173mm,lx=11185m,则λx=lx/ix=56150。根据《钢结构设计规范》附录C,λn=016074,则经计算,弯矩作用平面内支撑最大应力σ=110175N/mm2,满足稳定性要求。

3结论与建议

(1)根据计算,在该地区粉砂、粉土及淤泥质粉质黏土等软弱地层,对应表2中标准段和端头井段最大支撑轴

力时,本文中所选用的支撑截面参数及立柱措施是合理的,

支撑体系是有效的、安全的。

(2)基坑工程中,支撑计算模型的建立应综合考虑计算长度、构件与支护结构的连接及施工过程中其它因素(如施工活载、日常监测等)对支撑稳定性的影响,因此,支撑计算是较为复杂的,不能简单地按实腹式轴心受力构件考虑。

(3)由上述分析可知,增大i值可提高支撑杆件的稳定性。另外,当杆件在各纵向平面内的约束情况相同时,应采用使各个方向的惯性矩相同的截面,如圆形截面和方形截面。当压杆在两个主惯性平面内的约束情况不相同时,应采用两个方向惯性矩不同的截面,如矩形截面和工字形截面等,以与相应的约束情况配合,从而保证两个主惯性平面内的柔度相同。

(4)在其它条件相同情况下,采取增加中间支撑(临时立柱)能有效减小杆件长度,可以降低其柔度,从而提高稳定性。此外,在结构允许的情况下,将压杆转换成拉杆,可从根本上消除稳定性问题(如外拉式支撑体系)。

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